Filtracja ciśnieniowa osadu Wprowadzenie Proces filtracji ciśnieniowej ma zastosowanie przede wszystkim do osadów trudno odwadniających się, charakteryzujących się dużym oporem filtracji. Najczęściej są to zemulgowane osady przemysłowe pochodzące na przykład z koagulacji ścieków, z galwanizerni itp. Podstawowymi urządzeniami stosowanymi w procesie ciśnieniowego odwadniania osadów ściekowych są prasy filtracyjne ramowe lub komorowe. W prasach filtracyjnych odwadnianie osadów polega na filtracji cieczy przez warstwę osadu utworzoną na przegrodzie filtracyjnej (tkanina filtracyjna). W prasach komorowych stosuje się ciśnienia od 0,3 MPa do 1,5 MPa, a w prasach membranowych jeszcze wyższe. Konsekwencją wyższych wartości ciśnień jest znacznie szybsze i wyższe odwadnianie osadów na prasach niż w filtrach próżniowych. W prasach przegrodą filtracyjną jest tkanina, która spełniać musi następujące wymagania: niski opór właściwy filtru, stabilny w czasie wielu cykli filtracji (nie zatykanie porów tkaniny przez cząstki osadu); dobre zapewnienie rozdziału cząstek osadu od cieczy (klarowny odpływ), łatwe odspajanie placka osadu. Dla większości osadów tkaninę filtracyjną dobiera się eksperymentalnie. W celu przyspieszenia filtracji cieczy w większości przypadków osad przed odwadnianiem kondycjonuje się polimerami, koagulantami klasycznymi lub wprowadza środki wspomagające takie jak trociny, popiół itd. Dawki polimerów ustala się doświadczalnie. Na efektywność odwadniania osadów w prasach wpływa także grubość placka osadu (szerokość komory filtracji) ponieważ osad frakcjonuje się samorzutnie w czasie odwadniania. W większości pras szerokość komory prasy wynosi 3-10 cm. Prasa składa się z kilku lub kilkunastu jednakowych komór filtracji. Siła docisku szczelnych komór do siebie powinna być znacznie wyższa od sił wywołanych ciśnieniem filtracji. Po odwodnieniu, poszczególne komory prasy odsuwa się od siebie i usuwa placki osadu. Podstawowymi parametrami technologicznymi są: czas odwadniania, obciążenie powierzchni filtracyjnej prasy masą osadu [kg sm/m 2 h], S t r o n a 1
uwodnienie placka osadu. Szerokie zastosowanie mają również prasy taśmowe, w których ciśnienie filtracji uzyskiwane jest przez mechaniczny docisk tkaniny filtracyjnej obrotowymi wałkami. Urządzenia te charakteryzują się niższym jednostkowym zużyciem energii i dużą przepustowością. Wymagają dużych powierzchni tkaniny filtracyjnej, która ulega szybszemu zużyciu. Prasa taśmowa posiada cztery strefy: kondycjonowania, grawitacyjna, niskiego i wysokiego ciśnienia. Konwencjonalne prasy taśmowe pozwalają na uzyskanie placka osadu o zawartości 20-25 suchej masy. Pewną modyfikacją pras filtracyjnych są tzw. prasy tkaninowe lub inaczej workowe. Urządzenia te oparte są również na filtracji cieczy nadosadowej przez warstwę osadu lecz zupełnie inaczej mają rozwiązany sposób wywierania ciśnienia oraz sposób zasilania w osad (stosuje się w małych oczyszczalniach). Prasy workowe są urządzeniami zarówno estetycznymi jak i efektywnymi oraz stosunkowo tanimi. Workownice składają się z konstrukcji nośnej, zbiornika rozdzielczego, do którego pompowany jest osad i ewentualnie sprężone powietrze. Poprzez króćce osad napełnia worki zachodzi proces zagęszczania i odwadniania. Worki powinny być składowane na zdrenowanym składowisku, gdzie zachodzi jeszcze proces suszenia osadu. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego Zasadniczym celem ćwiczenia jest dobór tkaniny filtracyjnej oraz określenie optymalnego ciśnienia filtracji dla danej próby osadu. Od ciśnienia filtracji zależy wielkość oporu właściwego osadu, a więc pośrednio czas filtracji osadu. Rodzaj tkaniny filtracyjnej wpływa natomiast na wielkość oporu właściwego przegrody filtrayjnej, ale głównie na jakość filtratu, tzn. ilość zawiesin i stopień zanieczyszczenia cieczy osadowej. Zakres ćwiczenia obejmuje: ustalenie optymalnego ciśnienia filtracji dla danego typu tkaniny filtracyjnej i osadu, określenie rodzaju tkaniny filtracyjnej najlepiej odwadniającej osad przy zadanym ciśnieniu filtracji, określenie oporu właściwego filtracji różnych rodzajów osadu. S t r o n a 2
Metodyka badań W celu otrzymania cieczy osadowej o wysokiej przeźroczystości i małym zanieczyszczeniu należy stosować tkaniny gęste. Jednakże dla filtracji niektórych osadów o strukturze kłaczkowatej wystarczą tkaniny rzadkie. W celu dobrania tkaniny należy wykonać kilka prób filtracji osadu przez różne typy tkanin, za każdy razem stosując to samo ciśnienie filtracji. Na podstawie pomiaru ilości przesączu w czasie filtracji oraz uwodnienia osadu przed i po filtracji można obliczyć opór właściwy filtracji. Ponadto powinno się określić stopień zanieczyszczenia filtratu. Na podstawie wyników badań dokonuje się doboru właściwej tkaniny filtracyjnej i ciśnienia filtracji. Opis stanowiska badawczego, aparatura i szkło laboratoryjny model filtru ciśnieniowego do odwadniania osadów, stoper, tkaniny filtracyjne o różnych gęstościach, zestaw sprzętu do oznaczania uwodnienia, odczynu, zasadowości, przezroczystości, ChZT. Rys. 1. Laboratoryjny model filtru ciśnieniowego do odwadniania osadów: 1- tkanina filtracyjna na płycie perforowanej, 2- kołnierz, 3- cylinder miarowy, 4- zawór regulacyjny, 5- manometr, 6- zawór odcinający, 7- doprowadzenie powietrza ze sprężarki, 8- poziom osadu w naczyniu ciśnieniowym. S t r o n a 3
Przebieg realizacji eksperymentu Do badań należy przygotować próbę osadu w ilości około 2 litrów. Po dokładnym wymieszaniu osadu należy oznaczyć jego uwodnienie. Następnie odmierzyć cylindrem miarowym 500 cm 3 osadu i wlać do naczynia ciśnieniowego filtru na założoną tkaninę filtracyjną. Filtr skręcić i włączyć dopływ sprężonego powietrza przy zamkniętym zaworze odcinającym. Zaworem regulacyjnym ustawić żądaną wartość ciśnienia filtracji na manometrze np. 2 atm. Otworzyć zawór odcinający i rozpocząć proces filtracji ciśnieniowej. Mierzyć ilość filtratu w zależności od czasu filtracji. Koniec procesu następuje w momencie zaobserwowania gwałtownego spadku ciśnienia na manometrze i wydostawania się powietrza z filtru. Należy w tym momencie odciąć dopływ powietrza do filtru. Po rozkręceniu filtru, wyjąć tkaninę z plackiem odwodnionego osadu i zmierzyć jego grubość. Pobrać 3-5 gram osadu i oznaczyć jego uwodnienie. W wodzie osadowej wykonać oznaczenia przezroczystości i ilości zawiesiny, a w razie konieczności inne charakteryzujące jakość filtratu. Obliczyć opór właściwy osadu. 2 2bPA r = [s 2 /g] µc gdzie: r - opór właściwy osadu [s 2 /g], b - tangens nachylenia prostej na wykresie t/v:v, na którym t oznacza czas filtracji, V oznacza objętość filtratu otrzymanego od rozpoczęcia filtracji w chwili t, b wyrażone jest w[s/cm 6 ], P - podciśnienie (wielkość próżni) wyrażona w [g/cm 2 ], µ - lepkość filtratu (można przyjąć 0,01 g/cm s), C - ilość osadu w jednostce objętości filtratu [g/cm 3 ] 1 c = [g/cm 3 ], cp ck 100 cp 100 ck gdzie: c p - uwodnienie osadu surowego w, S t r o n a 4
c k - uwodnienie osadu po filtracji w. Analogicznie wykonać badania dla innych typów tkanin filtracyjnych stosując takie samo ciśnienie filtracji oraz rodzaj i ilość osadu. Wyniki przedstawić w formie tabelarycznej i graficznej (wykresy). Prezentacja i analiza wyników badań Tabela 1. Wyniki filtracji ciśnieniowej osadu przy zastosowaniu różnych tkanin filtracyjnych Osad Początkowe uwodnienie osadu Końcowe uwodnienie osadu Grubość placka osadu Objętość osadu po odwadnianiu Redukcja objętości osadu Opór właściwy filtracji Filtrat Łączna ilość filtratu Przezroczystość Ilość zawiesin ChZT Oznaczenia Jednostki Typ tkaniny filtracyjnej cm cm 3 s 2 /g cm 3 cm g/cm 3 mg O 2 /l I II III S t r o n a 5